X선으로 바라본 아이손 혜성(C/2012 S1)과 판스타스 혜성(C/2011 S4)

 

Credit  X-ray: NASA/CXC/Univ. of CT/B.Snios et al, Optical: DSS, Damian Peach (damianpeach.com), Credit  NASA/CXC/Univ. of CT/B.Snios et al, Optical: Damian Peach (damianpeach.com)

 

 

• 아이손 혜성과  판스타스 혜성이 지구로부터 상대적으로 가까운 지점을 통과할 때 찬드라 X선 망원경이 이 혜성들을 관측하였다.

• 혜성에서 나오는 X선 복사는 태양으로부터 뿜어져나온 입자들이 혜성의 대기와 충돌할 때 발생한다.

• 찬드라 X선 망원경의 관측 데이터는 태양풍의 구성성분을 측정하는데 사용되는데 관측을 통해 발견된 수치들은 다른 독립적인 측정치와 일관성을 보이고 있었다.

 

수천년 동안 지구상의 인류는 혜성을 목격해왔다.

수많은 고대 문명들이 혜성을 멸망의 전조로 알고 있었지만 오늘날의 과학자들은 혜성이 그저 먼지와 가스, 암석으로 이루어진 얼음 뭉치라는 것을 알고 있다.
물론 혜성은 수십억년전 지구에 물을 날라다 준 천체일 것으로 추정되고 있기도 하다.

혜성은 원래부터 흥미로운 대상이기도 하지만 이들은 또한 태양계의 또다른 측면에 대한 정보도 제공해주고 있다.

좀더 구체적으로, 혜성은 태양풍이라고 알려진, 태양으로부터 쏟아져나오는 입자들의 행동을 연구하는 실험실로도 사용될 수 있다.

 

최근 천문학자들은 NASA 찬드라 X선 망원경이 수집한 C/2012 S1(아이손 혜성)과 C/2011 S4(판스타스 혜성)의 데이터를 이용한 연구 결과를 보고하였다.

 

찬드라 X선 망원경이 이 혜성들을 관측한 것은 2013년, 이들이 상대적으로 지구와 가까운 거리를 지날 때였다.
당시 아이손 혜성과 판스타스 혜성은 지구로부터 각각 1억 4,400만 킬로미터 및 2억 8백만 킬로미터 거리를 지나고 있었다.

플루토 공전궤도 너머에는 광활하게 펼쳐져 있는 거대한 얼음 천체들의 왕국인 오르트 구름이 존재한다.
이 혜성들은 바로 이 오르트 구름에서 기나긴 여행을 출발하여 내태양계로 들어온 혜성들이었다.

우선 각 사진들은 이 두 개 혜성을 가시광선으로 촬영한 것이다.
이 사진들은 모두 천체사진작가인 다미안 피치(Damian Peach)가 근일점에 다가서는 혜성을 촬영한 것이며 여기에 DSS (Digitized Sky Survey)에서 촬영한 배경의 우주가 합성되었다.

(아이손 혜성의 초록빛 색조는 시아노겐과 같은 특별한 가스 때문에 발생하는 것이다. 혜성의 핵으로부터 흘러나오는 이 가스에는 탄소와 질소가 포함되어 있다.)

 

각 네모 상자의 사진은 찬드라X선 망원경이 촬영한 혜성의 모습이다.

두 개의 혜성에서 나오는 X선 복사(보라색) 형태의 차이는 관측 당시 태양풍의 차이와 각 혜성의 대기 차이를 말해주고 있는 것이다.

아이손 혜성의 경우 잘 발달된 포물선 형태를 띠고 있는데 이는 이 혜성이 밀도높은 가스상 대기를 가지고 있음을 말해주는 것이다.

이에 반해 판스타스 혜성은 좀더 뿌연 X선의 연무를 보여주는데 이는 대기상에 가스는 상대적으로 더 적고 먼지는 더 많음을 말해주고 있는 것이다.

 

과학자들은 태양풍 입자들이 혜성의 대기와 충돌할 때 X선 복사가 발생한다고 결론지었다.

비록 태양풍을 구성하는 대부분의 입자는 수소와 헬륨원자이지만 X선 복사는 이보다는 무거운 원소로부터 관측되는 것이다.
(여기서 무거운 원소란 수소나 헬륨보다 무거운 원소로서, 탄소나 산소와 같은 원자를 말한다.)

이 원자들이 혜성 대기의 중성 원자들과 충돌할 때 대부분 전자를 잃게 된다.

전하교환(charge exchange)이라 불리는 이 과정은 수소가 대부분을 차지하는 중성 원자 하나와 태양풍 내의 무거운 원자 하나가 전자를 교환하는 과정이다.

충돌 이후 원자에 포섭된 전자가 좀더 안쪽 전자궤도로 이동할 때 X선이 복사된다.

 

찬드라 X선 데이터는 태양풍 내의 탄소와 질소의 양을 추정할 수 있게 해준다.
이렇게 해서 측정된 값은 NASA 차세대복합위성(Advanced Composition Explorer, ACE)과 같은 다른 장비를 이용한 연구에서 계산된 값과 일관성을 보이고 있었다.

또한 이번에는 태양풍 안에 존재하는 네온의 양에 대한 새로운 측정치도 도출되었다.

 

아이손 혜성과 판스타스 혜성에 대한 찬드라 데이터의 분석으로부터 발전된 상세모델은 태양풍의 구성 성분에 대한 X선 관측의 결과치를 보여주고 있다.

이와 동일한 기술은 태양풍과 혜성, 또는 행성이나 별사이 우주공간의 가스와 같은 다른 천체와의 상호작용을 조사하는데도 사용될 수 있다.

 

이번 연구 결과를 담은 논문은 2016년 2월 20일 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 개재되었으며 온라인에서도 접해볼 수 있다.

 

논문의 저자는 다음과 같다.
코네티컷 대학의 브래드포드 스니오스(Bradford Snios)와 바실리 카르첸코(Vasili Kharchenko) ,  존스홉킨스 대학의 케어리 리쎄(Carey Lisse),  하바드-스미스소니언 천체물리센터의 스콧 우크(Scott Wolk), 막스플랑크 외계물리학연구소의 콘라드 데널(Konrad Dennerl), 미시건 대학의 마이클 콤비(Michael Combi)

 

 

 

 

 

 

 

 

출처 : NASA CHANDRA X-RAY Observatory Photo Album  2016년 4월 18일
         http://chandra.harvard.edu/photo/2016/comets/

 

참고 : C/2012 S1 아이손 혜성을 비롯한 태양계의 다양한 작은 천체에 대한 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
          왜소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346957
          소행성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346956
          혜성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346955
          유성 :  https://big-crunch.tistory.com/12346954

 

 

원문>

Comets ISON & PanSTARRS: Comets in the "X"-Treme

• Chandra observed Comet ISON and Comet PanSTARRS when these comets were relatively close to the Earth.

 

• The X-ray emission is produced when a wind of particles from the Sun strikes the comet's atmosphere.

 

• The Chandra data was use to estimate the composition of the solar wind, finding values that agree with independent measurements.

 

For millennia, people on Earth have watched comets in the sky. Many ancient cultures saw comets as the harbingers of doom, but today scientists know that comets are really frozen balls of dust, gas, and rock and may have been responsible for delivering water to planets like Earth billions of years ago.

While comets are inherently interesting, they can also provide information about other aspects of our Solar System. More specifically, comets can be used as laboratories to study the behavior of the stream of particles flowing away from the Sun, known as the solar wind.

Recently, astronomers announced the results of a study using data collected with NASA's Chandra X-ray Observatory of two comets -- C/2012 S1 (also known as "Comet ISON") and C/2011 S4 ("Comet PanSTARRS").

Chandra observed these two comets in 2013 when both were relatively close to Earth, about 90 million and 130 million miles for Comets ISON and PanSTARRS respectively. These comets arrived in the inner Solar System after a long journey from the Oort cloud, an enormous cloud of icy bodies that extends far beyond Pluto's orbit.

The graphics show the two comets in optical images taken by an astrophotographer, Damian Peach, from the ground during the comets' close approach to the sun that have been combined with data from the Digitized Sky Survey to give a larger field of view. (The greenish hue of Comet ISON is attributed to particular gases such as cyanogen, a gas containing carbon and nitrogen, escaping from the comet's nucleus.)

The insets show the X-rays detected by Chandra from each comet. The different shapes of the X-ray emission (purple) from the two comets indicate differences in the solar wind at the times of observation and the atmospheres of each comet. Comet ISON, on one hand, shows a well-developed, parabolic shape, which indicates that the comet had a dense gaseous atmosphere. on the other hand, Comet PanSTARRS has a more diffuse X-ray haze, revealing an atmosphere with less gas and more dust.

Scientists have determined that comets produce X-ray emission when particles in the solar wind strike the atmosphere of the comet. Although most of the particles in the solar wind are hydrogen and helium atoms, the observed X-ray emission is from "heavy" atoms (that is, elements heavier than hydrogen and helium, such as carbon and oxygen). These atoms, which have had most of their electrons stripped away, collide with neutral atoms in the comet's atmosphere. In a process called "charge exchange," an electron is exchanged between one of these neutral atoms, usually hydrogen, and a heavy atom in the solar wind. After such a collision, an X-ray is emitted as the captured electron moves into a tighter orbit.

The Chandra data allowed scientists to estimate the amount of carbon and nitrogen in the solar wind, finding values that agree with those derived independently using other instruments such as NASA's Advanced Composition Explorer (ACE). New measurements of the amount of neon in the solar wind were also obtained.

The detailed model developed to analyze the Chandra data on comets ISON and PanSTARRS demonstrates the value of X-ray observations for deriving the composition of the solar wind. The same techniques can be used, together with Chandra data, to investigate interactions of the solar wind with other comets, planets, and the interstellar gas.

A paper describing these results appeared in the February 20th, 2016 issue of The Astrophysical Journal and is available online. The authors are Bradford Snios and Vasili Kharchenko (University of Connecticut), Carey Lisse (Johns Hopkins University), Scott Wolk (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Konrad Dennerl (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) and Michael Combi (University of Michigan).

NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, manages the Chandra program for NASA's Science Mission Directorate in Washington. The Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, controls Chandra's science and flight operations